Questo elaborato di Tesi introduce un innovativo approccio matematico, la Teoria del Controllo di Rete (TCR), per valutare e monitorare il processo di guarigione da una condizione neurodegenerativa durante l'esecuzione di una procedura di neurostimolazione e il funzionamento locale e globale del cervello integrando distinte modalità di acquisizione. Terapie innovative di stimolazione cerebrale non invasiva, come la stimolazione magnetica transcranica (SMT), sono state sviluppate come opzioni di trattamento sostenibili per intervenire in modo efficiente sulle malattie neurodegenerative senza effetti indesiderati a lungo termine. Sfruttando tecniche di neuroimaging funzionale (RMF) e accogliendo la bilanciata organizzazione locale-globale del cervello, la TCR rappresenta un valido strumento matematico per caratterizzare l'efficienza e l'integrità dei processi e delle connessioni neurali attraverso metriche connettomiche significative. L’obiettivo di questa tesi è dimostrare la capacità della TCR di offrire una visione approfondita della descrizione del connettoma e possibilmente di rilevare alterazioni dovute alla condizione patologica e/o al trattamento di stimolazione. La tesi è strutturata in tre sezioni. La prima sezione delinea i principi matematici della TCR, concentrandosi sugli aspetti metodologici, per facilitare la modellizzazione della TCR in nei dati di connettività funzionale (CF). Le moderate variabilità intra- e interindividuali e una buona capacità discriminativa, includendo soggetti affetti da una condizione neurosensoriale con perdita dell'udito legata all'età, sottolineano la capacità della TCR di caratterizzare in modo approfondito l'efficienza e l'integrità dei processi e delle connessioni neurali in termini di costo energetico (delle transizioni di stato) e controllabilità (da/verso stati raggiungibili). Nella seconda sezione, la TCR viene applicata per delineare la traiettoria della procedura di stimolazione valutando gli effetti a breve e lungo termine sulla controllabilità della corteccia prefrontale dorsolaterale (CPFDL) di pazienti con deficit cognitivo lieve (MCI). Le variazioni longitudinali delle metriche di controllabilità nella CPFDL offrono una nuova prospettiva sulla plasticità neurale indotta dalla stimolazione nei pazienti con MCI e aprono la strada anche alla caratterizzazione di procedure di stimolazione invasive, come la stimolazione cerebrale profonda (DBS) in presenza di malattia di Parkinson. L'ultima sezione porta la TCR ad essere applicata su connettomi, ottenuti mediante elettroencefalografia (EEG), che riflettono direttamente l'attività neurofisiologica e propongono una rappresentazione della CF con una più alta risoluzione temporale. La presenza di distribuzioni spaziali di controllabilità replicabili in connettomi funzionali multimodali non valutati simultaneamente indica presumibilmente l’esistenza di un’organizzazione funzionale che si mantiene costante su diverse scale temporali e spaziali e rilevabile mediante metriche di controllabilità, pertanto permettendo una maggiore flessibilità nello scegliere il metodo di registrazione tra RMF ed EEG.
This thesis introduces an innovative mathematical approach, Network Control Theory (NCT), to assess and monitor the recovery of a neurodegenerative condition when executing a neurostimulation procedure and the local-global brain functioning when integrating distinct acquisition modalities. Innovative therapies based on non-invasive brain stimulation, such as transcranial magnetic stimulation (TMS), have been developed as sustainable treatment options to efficiently intervene on neurodegenerative diseases without long-term side effects. Leveraging functional neuroimaging techniques (fMRI) and accounting for the balanced local-global brain organization, NCT represents a valid mathematical framework to characterize the efficiency and integrity of neural processes and connections in terms of meaningful connectomic metrics. The aim of this thesis is to demonstrate the potential of NCT to offer insight into the description of the human connectome and possibly to detect alterations due to the disease condition and/or stimulation treatment. The thesis is structured in three sections. The first section outlines the mathematical principles of the NCT, focusing on methodological aspects, to facilitate NCT modelling with functional connectivity (FC). The moderate intra- and inter-individual variabilities and the good discriminability power, when addressing sensorineural age-related hearing loss conditions in elderly subjects, underline the capability of the NCT to insightfully characterize the efficiency and integrity of neural processes and connections in terms of energy cost (of state transitions) and controllability (from/to reachable states). In the second section, NCT is successfully applied to outline the trajectory of the stimulation procedure by assessing its short- and long-term effects on the controllability of the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) in patients with mild cognitive impairment (MCI). The longitudinal variations of the controllability metrics in DLPFC offer a new perspective on the stimulation-induced neural plasticity in MCI patients and pave the way also for featuring alternative, yet invasive, neurostimulation procedures, such as deep-brain stimulation (DBS) in Parkinson’s disease (PD). The last section deals with NCT applied to the electroencephalography (EEG) derived connectomes, which directly reflect the neurophysiological activity and propose a higher temporal resolution depiction of the FC. The presence of replicable network-oriented spatial controllability patterns between non-simultaneous multi-modal FC estimation tentatively indicates the existence of a persistent functional organization across different temporal and spatial resolutions detectable from the controllability metrics and therefore might enable a more flexible selection between fMRI and EEG modalities as FC recording methods.
Network Theoretical Approach to Assess and Monitor Recovery in Neurodegenerating Conditions by Integrating Neurostimulation and Neuroimaging / Papallo, Simone. - (2026 Jan 19).
Network Theoretical Approach to Assess and Monitor Recovery in Neurodegenerating Conditions by Integrating Neurostimulation and Neuroimaging
PAPALLO, SIMONE
2026
Abstract
Questo elaborato di Tesi introduce un innovativo approccio matematico, la Teoria del Controllo di Rete (TCR), per valutare e monitorare il processo di guarigione da una condizione neurodegenerativa durante l'esecuzione di una procedura di neurostimolazione e il funzionamento locale e globale del cervello integrando distinte modalità di acquisizione. Terapie innovative di stimolazione cerebrale non invasiva, come la stimolazione magnetica transcranica (SMT), sono state sviluppate come opzioni di trattamento sostenibili per intervenire in modo efficiente sulle malattie neurodegenerative senza effetti indesiderati a lungo termine. Sfruttando tecniche di neuroimaging funzionale (RMF) e accogliendo la bilanciata organizzazione locale-globale del cervello, la TCR rappresenta un valido strumento matematico per caratterizzare l'efficienza e l'integrità dei processi e delle connessioni neurali attraverso metriche connettomiche significative. L’obiettivo di questa tesi è dimostrare la capacità della TCR di offrire una visione approfondita della descrizione del connettoma e possibilmente di rilevare alterazioni dovute alla condizione patologica e/o al trattamento di stimolazione. La tesi è strutturata in tre sezioni. La prima sezione delinea i principi matematici della TCR, concentrandosi sugli aspetti metodologici, per facilitare la modellizzazione della TCR in nei dati di connettività funzionale (CF). Le moderate variabilità intra- e interindividuali e una buona capacità discriminativa, includendo soggetti affetti da una condizione neurosensoriale con perdita dell'udito legata all'età, sottolineano la capacità della TCR di caratterizzare in modo approfondito l'efficienza e l'integrità dei processi e delle connessioni neurali in termini di costo energetico (delle transizioni di stato) e controllabilità (da/verso stati raggiungibili). Nella seconda sezione, la TCR viene applicata per delineare la traiettoria della procedura di stimolazione valutando gli effetti a breve e lungo termine sulla controllabilità della corteccia prefrontale dorsolaterale (CPFDL) di pazienti con deficit cognitivo lieve (MCI). Le variazioni longitudinali delle metriche di controllabilità nella CPFDL offrono una nuova prospettiva sulla plasticità neurale indotta dalla stimolazione nei pazienti con MCI e aprono la strada anche alla caratterizzazione di procedure di stimolazione invasive, come la stimolazione cerebrale profonda (DBS) in presenza di malattia di Parkinson. L'ultima sezione porta la TCR ad essere applicata su connettomi, ottenuti mediante elettroencefalografia (EEG), che riflettono direttamente l'attività neurofisiologica e propongono una rappresentazione della CF con una più alta risoluzione temporale. La presenza di distribuzioni spaziali di controllabilità replicabili in connettomi funzionali multimodali non valutati simultaneamente indica presumibilmente l’esistenza di un’organizzazione funzionale che si mantiene costante su diverse scale temporali e spaziali e rilevabile mediante metriche di controllabilità, pertanto permettendo una maggiore flessibilità nello scegliere il metodo di registrazione tra RMF ed EEG.I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
